WO2023079126A1 - Schallwandlervorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a sound transducer device. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a sound converter device, a sound converter device produced by means of the method, a communication device comprising the sound converter device and the use of the same.
- Sound transducer devices must, in particular in communication applications and/or sensor applications, function properly and reliably for many years and must withstand a wide variety of environmental influences, in particular within the context of their respective application.
- resistance to corrosive effects such as water, acids or oils
- protection against the ingress of dust or other foreign bodies are relevant environmental influences to which sound transducer devices can be exposed.
- the protection classes IP69 and IP69K according to DIN EN 60529 (VDE 0470) (Version 2019) are used to identify electronic devices that meet the highest standards against dirt and moisture.
- the degree of protection consists of the letters "IP” ("International Protection” or "Ingress Protection”) and two numbers.
- the first number stands for protection against dust and foreign bodies. The higher this number, the more powerful the device also protected against the finest dust. "6" stands for absolute dust tightness. The second number indicates the protection against water in different intensities or scenarios. While the 1 means protection against light dripping water, the 9 as the highest number implies protection against the ingress of water during high-pressure or steam jet cleaning.
- IP69k takes into account the special requirements for electrical or electronic devices in mobile outdoor applications such as road vehicles or agricultural machines. It is regulated in the ISO 20653:2013 standard. IP69 stands for the dust and water resistance of general electrical equipment, which also includes, for example, computers for use in various applications, e.g integrated capacitive touchscreen, or medical technology. The criteria are defined in the DIN EN60529 standard. The degrees of protection IP69 and IP69k do not stand for different qualities, but differ in their area of application ("Electrical equipment in general” and “Electrical equipment in road vehicles”).
- Acoustic transducer devices are used in many of these applications.
- the sound transducer device In particular in applications that come into contact with environmental influences, in particular with water, dust or viscous liquids such as wax or tree resin, the sound transducer device must be protected from the environmental influences. It is known, for example, to use grilles to cover acoustic transducer devices.
- grilles to cover acoustic transducer devices.
- these have the disadvantage that they are not water-repellent and therefore do not meet protection classes IP69 or IP69K.
- the present invention is therefore based on the object of providing a sound transducer device which meets the requirements of IP69 and IP69K and thus provides reliable protection against the ingress of dust and liquids, such as water, tree resin or waxes in the liquid state Fulfills requirements for reliable sound signal processing, for example with regard to sufficient sensitivity in a predetermined frequency range.
- the sound transducer device comprises a substrate and a sound transducer which is acoustically connected to one end of a sound channel of the substrate and is characterized in that the sound transducer device has a waterproof acoustic membrane covering another end of the sound channel.
- a membrane within the meaning of the invention has an extent which, in a Cartesian coordinate system with the x, y and z axis in the z direction—corresponding to the membrane thickness in the installed position—has a smaller extent than in the x, y plane.
- An acoustic membrane is understood to mean a membrane which, after being attached to the substrate, can be set at least partially in vibration by sound pressure waves from the environment. The membrane vibration again causes sound pressure waves in the sound channel, which are received by the sound transducer. This is possible with membranes that are designed to be flexible, as will be explained in more detail below. As a result, the membrane prevents the sound pressure waves from the environment from being received directly by the sound transducer.
- a membrane is considered watertight for the purposes of the invention if it passes the IP69 and/or IP69K degree of protection test.
- this allows reliable protection against the ingress of dust and liquids such as water, tree resin or waxes in the liquid aggregate state to be expected as environmental influences, on the other hand, the requirements for reliable sound signal processing, for example with regard to sufficient sensitivity in a predetermined frequency range, can be met.
- the sound converter device according to the invention particularly advantageously allows the structurally simple adaptation of the sound converter device to a given installation space, since the membrane according to the invention transmits sound energy without itself requiring a large amount of additional installation space.
- a sound transducer device is a device in which acoustic signals in the form of pressure waves are converted into electrical signals, in particular an electrical voltage, or vice versa, in which an electrical voltage is converted into acoustic signals in the form of pressure waves.
- the pressure waves are not limited to the frequency range that is audible to humans and therefore also include pressure waves outside the audible range.
- the sound transducer device can be designed as a microelectromechanical system (MEMS).
- MEMS microelectromechanical system
- An acoustic connection is understood to be a connection between two areas in which acoustic energy, in particular sound energy, can be transmitted from one area to another area. The transmission can take place through the same and/or different media.
- energy transfer may involve the conversion of mechanical energy, such as vibrational energy of the membrane, to acoustic energy, or vice versa.
- the substrate can have a control device or can be the control device or can be incorporated into the substrate.
- the substrate can have a control and/or signal conditioning device.
- the membrane can preferably be firmly connected to the substrate, in particular the control device.
- the control device can preferably include or be a printed circuit board (PCB).
- the printed circuit board serves as a carrier for electronic components, in particular for at least one data processing unit, such as one or more processors. Alternatively, it is also referred to as a printed circuit board. Alternatively or additionally, the printed circuit board can serve as a carrier for a control and/or signal conditioning device.
- the sound transducer can be arranged below the control device, in particular below the PCB.
- the sound transducer and the membrane can be arranged on opposite sides of the substrate.
- the outside of the sound converter device is understood to mean the side that faces the environment during operation of the sound converter device.
- the installation direction is understood to be the direction along which the sound transducer device is moved in order to install it in an application device.
- the membrane can be arranged on the substrate, in particular glued on, in particular this can be done by means of at least one adhesive layer. This has the additional advantage that by arranging it directly on the substrate, preferably the control device, in particular a PCB, both the sound transducer and the substrate are structurally protected in a particularly simple and reliable manner against the ingress of environmental influences.
- the membrane can have a sound-transmitting area in the area of the sound channel.
- a sound-transmitting area is understood to be an area of the membrane which, when subjected to sound pressure waves, is completely or partially made to oscillate and thus transmits sound energy into the sound channel.
- the other end of the sound channel may include a sound port.
- a sound opening is understood to be an opening through which sound pressure waves reach the sound channel. As described in more detail below, these sound pressure waves are generated through the membrane, particularly the sound-transmitting region of the membrane.
- the acoustic transducer device may be configured such that an acoustic pressure wave passes through the acoustic duct before being received by the acoustic transducer.
- the sound converter can have a sound converter housing and a sound receiver and/or transmitter.
- the sound converter housing can at least partially enclose an interior space of the sound space.
- the substrate in the assembled state, can partially close off the interior of the sound transducer.
- the sound receiver and/or transmitter can be arranged in the interior of the sound transducer.
- the interior of the sound transducer can be acoustically connected to the sound opening.
- the membrane can close off an acoustic space composed of the sound channel and the interior of the sound transducer.
- the acoustic space can be completely closed off by the aforementioned components.
- Such a configuration has the advantage that a predetermined resonance frequency range can be set in a structurally simple manner by providing a predetermined volume for the acoustic space. As a result, unwanted frequency ranges can be filtered out by the sound transducer device.
- Another advantage is that, In particular, the sound signal transmitted by the membrane, in particular the sound-transmitting area, is amplified.
- Suitable membranes can have, for example, a polyimide, in particular a duroplastic polyimide, in particular poly(4,4′-oxydiphenylenepyromellitimide), also called Kapton, or be formed from it.
- a polyimide in particular a duroplastic polyimide, in particular poly(4,4′-oxydiphenylenepyromellitimide), also called Kapton, or be formed from it.
- This has the advantage that membranes of this type, and in particular Kapton, have very good resistance to chemicals, are waterproof in the sense of IP69 or IP69K and are also electrically insulating.
- Such membranes also have a high tensile strength (3 GPa), with such a membrane retaining its flexibility. Maintaining flexibility serves to prevent or at least minimize damping of the mechanical sound transmission energy. Tensile strength serves to prevent or at least minimize loss of resonance.
- Such membranes and in particular Kapton also have good temperature resistance, in particular in a range from -269°C to 400°C, as a result of which they have constant mechanical properties over the required temperature range of -40°C to 100°C.
- Such membranes can also be handled using pick and place machines, which allows an arrangement with high precision, which is a further advantage in terms of production technology.
- Kapton in particular is also ROHS and IATF certified. Kapton can be supplied in a number of membrane thicknesses, coatings and colors so that additional desired properties can be easily implemented in manufacturing technology.
- the membrane can have a polyester, in particular a biaxially oriented polyester, in particular a biaxially oriented polyethylene terephthalate (BOPE), for example Mylar, or be formed from it.
- Polyesters of this type, in particular BOPE, in particular Mylar are resistant to chemicals and waterproof in accordance with protection classes IP69 or IP69K.
- Such membranes also have a high tensile strength (4 GPa), with such a membrane retaining its flexibility. Maintaining flexibility serves to prevent or at least minimize damping of the mechanical sound transmission energy. Tensile strength serves to prevent or at least minimize loss of resonance.
- Such membranes and in particular Mylar also have good temperature resistance, in particular in a range from -70°C to 150°C, which means that they remain constant over the required temperature range of -40°C to 100°C has mechanical properties.
- Such membranes can usually also be handled by means of pick and place machines, which allows an arrangement with high precision, which is a further advantage in terms of production technology.
- Mylar in particular is also ROHS and IATF certified.
- Mylar can also be provided in a variety of membrane thicknesses, coatings and colors so that additional desired properties can be easily implemented in terms of production technology.
- the membrane can be impermeable to air and/or coatable, in particular paintable, and/or pressure-resistant, in particular up to a pressure of 10,000 kPa and/or temperature-resistant in a temperature range from -269 °C to 400 °C, in particular in a Temperature range from -70 °C to 150 °C, in particular in a temperature range from -40 °C to 100 °C.
- An airtight membrane is particularly advantageous because it is particularly easy to coat, in particular to paint, since the penetration of aerosols during coating or painting can be reliably avoided in a structurally simple manner.
- the membrane is preferably made of the same material.
- the membrane can be provided with a conductive coating.
- a charge can be introduced into the membrane by a conductive coating on a PCB side, in particular on a side facing away from the sound transducer. If a charge is applied to the membrane, a plate capacitor can be formed with a static counter-electrode, which changes its capacitance in direct proportion to the deflection by incoming sound waves (capacitor microphone principle) or a transmitter can be constructed by repelling charges (electrostatic loudspeaker principle). If a neutral charge is introduced, the membrane can serve as a shield against electrical fields and divert electrostatic discharges from the actual transducer.
- the sound transducer device can have at least one cover layer and/or at least one spacer layer and/or at least one adhesive layer.
- a top layer is a layer that faces the environment directly. The surface layer is exposed to the sound pressure waves from the surrounding area.
- a spacer layer is understood to mean a layer which is arranged between the cover layer and the substrate.
- the cover layer can be arranged on at least one spacer layer and/or at least one adhesive layer.
- the provision of one or more spacer layers offers the advantage that the dimensions of the sound transducer device can be adjusted in the thickness direction of the substrate in order to easily adapt the sound transducer device to the spatial conditions in the application device, for example. This is particularly advantageous because the substrates are often available in standardized sizes and therefore an adjustment in the direction of thickness is not possible or is very expensive.
- the cover layer can have an adhesive layer.
- the adhesive layer can be ring-shaped and can enclose the sound opening.
- the spacer layer can have a cavity in the area of the sound opening.
- the cavity can have a round or elliptical shape in cross section, in particular transverse to the thickness direction of the substrate.
- a cavity cross section can be designed to be the same as a sound opening cross section. Alternatively, the cavity cross section can be larger than the sound opening.
- the cavity can be fluidly connected to the sound channel. In particular, the cavity can be arranged coaxially to the sound channel.
- the cavity cross sections of the individual spacer layers can differ from one another. This is particularly necessary when the top layer has a convex shape, as described in more detail below.
- the at least one spacer layer and the cover layer can consist of the same material.
- the provision of one or more cavity spacer layers also offers the advantage that the acoustic space can easily be adjusted in order to obtain the desired resonant frequency range.
- the spacer layer can have no cavity in the area of the sound opening.
- the at least one spacer layer may include an adhesive layer.
- the adhesive layer can be designed as an annular adhesive layer.
- the ring-shaped arrangement of the adhesive layer in the cover layer and/or the spacer layer around the sound opening has the additional advantage that the adhesive layer is easy to produce in terms of manufacturing technology.
- the membrane can have a thickness of 0.01 to 0.1 mm (millimeter), in particular a thickness of 0.02 to 0.05 mm, in particular a thickness of 0.05-0.03 mm.
- a modulus of elasticity of the membrane can particularly preferably be between 1.5 and 4 GPA, in particular 1.7-3.5 GPA. This range is particularly advantageous for flexibility and tensile strength of the membrane.
- the layer or layers of the membrane can be chosen in size and shape according to the requirement of the desired application. In order to reliably comply with the protection classes IP69 or IP69K, it is advantageous to position the membrane with an accuracy of at least 0.1 mm relative to the sound opening.
- the sound transducer device can have a membrane with at least one adhesive layer, with at least one adhesive layer connecting the membrane to the substrate, in particular the control device.
- the at least one adhesive layer can preferably form an adhesion area of the membrane with the substrate.
- the membrane can have no adhesive layer in a sound-transmitting area of the membrane. This has the additional advantage that the area weight of the membrane is reduced in this area compared to an embodiment in which the sound-receiving area of the membrane has an adhesive layer. This is advantageous with regard to sound transmission through the membrane.
- the membrane can be concave or convex or flat, with the concave, convex or flat part of the membrane carrying the sound Area of the membrane includes.
- a concave or convex design of the membrane, in particular of the cover layer, improves the acoustic sensitivity of the sound transducer device.
- the acoustic sensitivity depends on the area and geometry of the sound-transmitting area.
- the sound transducer device can be designed in a structurally simple manner in an optimized manner depending on the desired properties.
- the spacer layer can have a cavity cross section that is larger than the sound opening cross section.
- the cavity cross-section of the spacer layer may increase in a direction from the substrate to the cap layer. This means that the individual spacer layers have different cavity cross sections.
- the course of the sound channel between the end facing the sound transducer and the other end of the sound channel facing the membrane cannot be constant.
- the sound channel can have a cross section that changes along the thickness direction of the substrate.
- the cross section of the sound channel can narrow along the thickness direction of the substrate.
- the course of the cross section can decrease starting from the other end of the sound channel in the direction of the end of the sound channel, ie in the direction of the sound transducer.
- the course of the cross section can be axisymmetric, in particular conical, concave, funnel-shaped and/or step-shaped axisymmetric.
- the cross-sectional constriction can also be non-axially symmetrical. It is particularly advantageous if the cross section narrows, starting from the membrane in the direction of the sound transducer. This achieves an increase in pressure within the sound channel, which improves the sensitivity of the sound transducer device.
- such an embodiment is advantageous in which the sound opening and thus the membrane surface used for sound transmission is not large, and thus little sound energy is transmitted into the sound channel.
- the sound opening and the membrane area cannot be increased arbitrarily, because in this case the acoustic space has to be reduced in order to obtain a specified resonance frequency range. However, reducing the acoustic space is not always possible.
- the sound channel can have at least two sections, a first section having a cross section that changes along the thickness direction.
- the cross section decreases in a direction starting from the membrane in the direction of the sound transducer.
- a second section, which can directly adjoin the first section, can have a constant cross section. The second section can be directly connected to the sound transducer.
- An area ratio of an area of the other end of the sound channel, which faces the membrane, to an area of the end of the sound channel, which faces the sound transducer (2), can be between 1.5 and 10, preferably between 3 and 8, in particular 6:25, be.
- the surface of the other end of the sound channel can correspond to a surface of the sound opening.
- the end of the sound channel facing the sound converter opens into the interior of the sound converter.
- a sound channel medium can have the same or different density than an external medium, in particular air, or can form a different phase. This has the additional advantage that the sound is received by the sound transducer in an optimized manner since little or no phase loss occurs. Such losses are caused by the phase transition between different media (gas, membrane, gas, sound transducer).
- the sound channel medium can preferably include or be air or a non-compressible liquid, in particular an oil, in particular a mineral oil.
- the sound channel medium can have a different pressure compared to the surrounding atmosphere.
- a method for producing a sound transducer device comprising a substrate and a sound transducer which is acoustically connected to one end of a sound channel of the substrate, characterized in that the sound transducer device has a watertight acoustic membrane which another end of the sound channel covers, provided comprising a step of arranging the membrane on the substrate, wherein the membrane covers a sound channel of the substrate.
- the method can optionally have a further step in which the sound transducer is connected to a side of the substrate opposite the membrane.
- the method according to the invention can optionally include the step that the membrane is arranged, in particular fastened, on the substrate by means of at least one adhesive layer.
- the method according to the invention can optionally include the step that the membrane is arranged, in particular fixed, on the substrate by means of a soldering method or a reflow method.
- the sound transducer can be attached to the substrate by means of a soldering process.
- the method according to the invention can have a further step in which the at least one cover layer is applied to at least one spacer layer.
- the method according to the invention can optionally include a step in which one surface of the membrane is provided with at least one adhesive layer, in particular the entire surface of the membrane.
- the at least one adhesive layer can be applied in such a way that a predetermined area of the membrane is free of the adhesive layer, in particular a sound-transmitting area of the membrane.
- the method according to the invention can have a step in which the at least one adhesive layer is applied in an adhesion area of the membrane, in particular is applied in a ring shape.
- the method according to the invention can have a step in which the at least one adhesive layer is applied before a step of assembling the membrane.
- the method according to the invention can have a step in which the at least one adhesive layer is applied in a predetermined amount, in particular, for example, to set a predetermined signal-to-noise ratio of the sound transducer device.
- a position determination device comprising a sound transducer device according to the invention.
- a sound transducer device or a position determination device in a motor vehicle, in particular for autonomous driving, and/or in a communication system and/or in a microphone application and/or in an industrial application and/or in applications for collision avoidance and/or or devices for presence detection are used.
- the sound transducer device according to the invention can be used for noise localization and/or for a predictive maintenance application and/or for a distance measurement and/or a filling level measurement.
- the position determination device can be used for one-dimensional or multi-dimensional, preferably three-dimensional, position determination. At least one sound transducer device or several sound transducer devices can be used for position determination. In this case, a sound transducer device can function as a transmitter. In addition, at least one, in particular exactly three, sound transducer devices can act as receivers. In particular, an embodiment is conceivable in which several sound converters, in particular three sound converters, are arranged on the same printed circuit board. In this case there is only one sound transducer device for determining the 3D position. Alternatively, one sound transducer can be arranged on each printed circuit board. In this case there are several sound transducer devices.
- the transmitter and one receiver or two receivers can lie on a straight line.
- the third receiver is arranged in such a way that it is not arranged on the straight line.
- the transmitter and all receivers lie in a plane that has the straight line.
- the object whose position is to be determined is arranged such that it is spaced apart from the plane. In other words, the object is not arranged in the plane.
- the transmitter can act as one of the receivers after sending out the transmission signal. This means that the transmitter can both transmit the broadcast signal and receive signals.
- One arranged on the Printed Circuit Board Data processing unit in particular at least one processor, can calculate the position in space, in particular a position in three-dimensional space, on the basis of the received signals.
- Figures 1A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a first embodiment.
- Figures 2A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a second embodiment.
- Figures 3A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a third embodiment.
- Figures 4A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a fourth embodiment.
- Figures 5A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a fifth embodiment.
- Figures 6A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a sixth embodiment.
- Figures 7A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to a seventh embodiment.
- Figures 8A-B show a schematic representation of a sound transducer device according to an eighth embodiment.
- FIG. 9 shows a schematic representation of a sound transducer device according to a ninth exemplary embodiment.
- FIG. 10 schematically shows the mode of operation of a sound transducer device according to the invention.
- FIGS. 1A-B show a sound transducer device 1.
- FIG. 1B shows a highlighted detail 25 from FIG.
- the sound transducer device 1 includes a sound transducer 2 which is acoustically connected to one end 16 of the sound channel 12 of a substrate 17 .
- the sound converter 2 has a sound converter housing 28 and a sound receiver and/or sound transmitter 3 which is arranged in an interior space 19 of the sound converter 2 .
- the interior space 19 is delimited by the sound transducer housing 28 and the substrate 17 .
- the sound converter 2 is arranged below the substrate 17 in the installation direction E of the sound converter device 1 .
- the sound channel 12 has another end comprising a sound opening 4, whereby sound pressure waves pass through the sound opening 4 before reaching the sound transducer 2, as will be described in more detail below.
- the sound channel 12 extends through the entire thickness of the substrate 17.
- the extension of the substrate 17 between a substrate side facing the surroundings and a substrate side facing the sound transducer 2 is understood as thickness.
- the thickness corresponds to the extension of the substrate 17 along the z-direction of the coordinate system shown in Fig. 1A and/or an extension between the end 16 and the inlet opening 4.
- the sound transducer device 1 has a waterproof acoustic membrane 5 which completely covers the sound channel 12 .
- the membrane 5 covers the sound opening 4 .
- the membrane 5 is arranged on a side of the substrate 17 directed towards an environment and comprises a cover layer 6 and an adhesive layer 11, the adhesive layer 11 covering the cover layer 6 of the membrane 5 completely.
- the membrane 5 is arranged, in particular glued, on the substrate 17 by means of the adhesive layer 11 .
- the substrate 17 is, for example, a control device, for example a printed circuit board.
- the membrane 5 has two areas, a sound-transmitting area 23 and an adhesion area 24.
- the sound-transmitting area 23 is the section of the membrane 5 that vibrates when the membrane 5 is subjected to a sound wave, so that sound energy is transmitted into the sound channel 12.
- the sound-transmitting area is arranged in the area of the sound channel 12 .
- a cross section of the sound-transmitting area can correspond to a sound opening cross section 9 .
- the sound transducer device 1 also has an acoustic space 18 .
- the acoustic space 18 is a closed space composed of the interior space 19 of the sound transducer 2 and the sound channel 12 .
- a resonance damping behavior of the sound transducer device 1 depends on the thickness and/or the material and/or the prestressing of the membrane 5 and the adhesive layer 11 present in the sound-transmitting region 23 of the membrane 5 .
- a resonance frequency behavior, in particular a resonance frequency range, of the sound transducer device 1 depends on the volume of the acoustic space 18 .
- An acoustic sensitivity of the sound transducer device 1 depends, among other things, on the area and the geometry of the cover layer 6 located in the area of the sound channel 12.
- FIGS. 2A-B show a second embodiment, only the differences from the first embodiment being discussed below.
- the second embodiment differs from the first embodiment in that the membrane 5 has no adhesive layer 11 in the sound-transmitting region 23 . As a result, the mass of the sound-transmitting area 23 of the sound transducer device 1 is reduced.
- the resonance damping behavior of the acoustic space 18 depends on the thickness and/or the material and/or the prestressing of the membrane 5 .
- the resonance damping behavior of the acoustic space 18 depends on the diaphragm 5 and the adhesive layer 11.
- the resonance frequency behavior in particular a resonance frequency range, depends on the volume of the acoustic space 18 .
- the acoustic sensitivity of the sound transducer device 1 depends, among other things, on the area and the geometry of the sound-transmitting area 23.
- FIGS 3A-B show a third embodiment.
- the third embodiment differs from the first embodiment shown in FIGS
- Adhesive layer 1 1 is arranged.
- the cover layer 6 is firmly connected to the spacer layer 7 by means of the adhesive layer 11 .
- the adhesive layer 11 is distributed evenly over the entire underside of the cover layer 6.
- the spacer layer 7 is arranged on the substrate 17 and is firmly connected to the substrate 17 by means of a further adhesive layer 11 .
- the spacer layer 7 is arranged between the cover layer 6 and the substrate 17 as seen in the z-direction.
- the spacer layer 7 differs from the cover layer 6 in that it has a cavity 10 in the area of the sound opening 4 .
- the cavity 10 is arranged coaxially with the sound channel 12 .
- the cover layer 6 has the sound-transmitting area 23 in the area of the sound opening 4 .
- Such a formation of the spacer layer 7 results in the volume of the acoustic space 18 being larger by the volume of the cavity 10 in comparison to the first embodiment.
- the resonance damping behavior of the acoustic space 18 depends on the thickness of the cover layer 6 in the z-direction and the applied adhesive layer 11.
- FIG. 4A-B show a fourth embodiment.
- the fourth embodiment differs from the third embodiment in the design of the membrane 5, in particular the cover layer 6 and the spacer layer 7.
- the cover layer 6 is concave in the area of the sound opening 4.
- the concave part of the cover layer 6 includes the sound-transmitting area 23.
- the spacer layer 7 has a cavity 10 in the area of the sound opening 4, the cross section of which is larger than the sound opening cross section 9.
- the concave depression 22 resulting from the concave design of the cover layer 6 has an effect favorably on the acoustic sensitivity of the sound transducer device 1 from.
- the acoustic sensitivity of the sound transducer device 1 depends on the area and the geometry of the cover layer 6 located in the area of the sound channel 12 .
- Figures 5A-B show a fifth embodiment.
- the fifth embodiment differs from the fourth embodiment in the attachment of the adhesive layer 1 1 to the cover layer 6.
- the adhesive layer 1 1 is evenly distributed on the underside of the cover layer 6, there is a difference in that the adhesive layer 1 1 in the area the Sound hole 4 is designed as a circular ring. This ensures a permanent connection.
- the adhesive layer 11 is applied to the layers of the membrane 5 before assembly and serves to form more stable and lighter assemblies.
- FIGS. 3A, 3B show a sixth embodiment.
- the sixth embodiment differs from the third embodiment shown in FIGS. 3A, 3B in the design of the membrane 5.
- the membrane 5 has two spacer layers 7 which are arranged one above the other and are fastened to one another by means of an adhesive layer 11.
- the spacer layer 7 that is further away from the substrate 17 has a larger cavity cross section than the spacer layer 7 arranged on the substrate 17. This allows the cover layer 6 to be concave in the area of the sound channel 12.
- the cover layer 6 is firmly connected to the spacer layer 7 directly attached to the substrate 17 by means of an annular adhesive layer 11 .
- the sound-transmitting area 23 of the membrane 5 covering the sound opening 4 has no adhesive layer 11.
- FIGS. 7A-B show a seventh embodiment of a sound transducer device 1 .
- the seventh embodiment differs from the sixth embodiment in the design of the membrane 5.
- the seventh embodiment has a total of five spacer layers 7, while the sixth embodiment has two spacer layers 7.
- Two spacer layers 7 are formed in such a way that their respective cavity 10 increases the volume of the acoustic space 18 .
- the cavity cross section of the respective spacer layer 7 corresponds to the sound opening cross section 9.
- the remaining spacer layers have a cavity cross section that is larger than the sound opening cross section 9.
- the cavity cross section increases along a direction from the substrate 17 in the direction of the cover layer 6.
- the concave recess 22 of the cover layer has a larger volume than the concave recess 22 of the sixth embodiment.
- Another difference is that there is no annular adhesive layer 11 connecting the cover layer 6 to a spacer layer 7 .
- the adhesive layer 11 is evenly distributed over the entire cover layer 6, with the exception of the sound-transmitting area 23.
- the acoustic space 18 is larger in the seventh embodiment than in the sixth embodiment. This results from the fact that there are two spacer layers 7 each having a cavity 10 , whereas in the sixth embodiment there is one spacer layer 7 whose cavity 10 forms part of the acoustic space 18 .
- FIGS. 8A-B show an eighth embodiment.
- the eighth embodiment differs from the third embodiment in the design of the membrane 5.
- the cover layer 6 has a convex shape in the area of the sound opening 4, ie at least a part of the membrane 5 encompassing the sound-transmitting area 23.
- This is made possible by applying additional adhesive layers 11 to the layers of the membrane 5 and/or applying ring-shaped adhesive layers 11, which in each case firmly connect the cover layer 6 to the spacer layer 7. Due to the convex design of part of the membrane 5, the acoustic space 18 increases in comparison to the third embodiment shown in FIGS. 3A, 3B.
- the convex formation of the cover layer 6 can take place in that the sound transducer device 1 is assembled under high pressure. It is therefore possible to create convex shapes by assembling the acoustic transducer device under high air pressure.
- the air trapped in the sound duct 12 expands in the normal atmosphere and forms convex bubbles.
- a convex bubble can be achieved by cooling or heating the sound passage medium.
- a sound transducer device 1 designed in this way enables better sensitivity to sound pressure waves that arrive at a steep angle.
- FIG. 9 shows a ninth embodiment.
- the ninth embodiment differs from the first embodiment in the design of the sound channel 12.
- the sound channel 12 in the ninth embodiment has two sections.
- a first section which extends from the sound opening 4 in the direction of the sound transducer 2, has a cross section that decreases along a thickness direction of the substrate.
- the cross section refers to a plane that is normal to the z-direction.
- a second section directly adjoining the first section has a constant cross section along the thickness direction.
- the second section thus extends from the transition area with the first section to the end 16 of the sound channel 12.
- An area ratio of a surface of the sound opening 4, which corresponds to a surface of the other end of the sound channel 12, to a surface of the other end 16 of the sound channel 12 is between 1.5 and 10, in particular 6.25.
- FIG. 10 shows schematically how a sound transducer device 1 works.
- the cover layer 6 of the membrane 5, in particular a part of the membrane 5 encompassing the sound-transmitting region 23, is concave.
- each of the previously described sound transducer devices 1 has the mode of operation described below.
- sound channel medium 13 the sound channel 12 is filled.
- the vibration of the membrane 5 generates sound pressure waves in the sound channel 12, which pass through the sound channel 12 and reach the interior space 19 of the sound transducer 2 and from the sound receiver 3 are recorded.
- an incompressible fluid such as a liquid
- the vibration of the membrane 5 is transmitted directly to the sound transducer 2 , in particular the sound receiver 3 .
- a liquid is arranged in the sound channel 12, which is symbolized by the gray shading of the sound channel 12.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schallwandlervorrichtung (1) umfassend ein Substrat (17) und einen Schallwandler (2), welcher mit einem Ende eines Schallkanals (12) des Substrats (17) akustisch verbunden ist. Die Schallwandlervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandlervorrichtung (1) eine wasserdichte akustische Membran (5) aufweist, welche ein anderes Ende des Schallkanals (12) abdeckt.
Description
Schallwandlervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Schallwandlervorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Schallwandlervorrichtung, eine mittels des Verfahrens hergestellte Schallwandlervorrichtung, eine Kommunikationsvorrichtung umfassend die Schallwandlervorrichtung sowie die Verwendung derselben.
Schallwandlervorrichtungen müssen, insbesondere in Kommunikationsanwendungen, und/oder Sensoranwendungen über viele Jahre einwandfrei und zuverlässig funktionieren und müssen insbesondere im Rahmen ihrer jeweiligen Anwendung unterschiedlichsten Umwelteinflüssen standhalten. Neben einem definierten Temperaturbereich in der Anwendung sind beispielsweise die Beständigkeit gegenüber korrosiven Effekten wie Wasser, Säuren oder Ölen sowie der Schutz gegen das Eindringen von Staub oder anderen Fremdkörpern relevante Umwelteinflüsse, denen Schallwandlervorrichtungen ausgesetzt sein können. Zur Kennzeichnung der Beständigkeit gegenüber derartigen Umwelteinflüssen existieren eine Reihe von Standards. Insbesondere die Schutzarten IP69 bzw. IP69K nach DIN EN 60529 (VDE 0470) (Version 2019) dienen zur Kennzeichnung elektronischer Vorrichtungen, die den höchsten Standard gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit erfüllen. Die Schutzartenbezeichnung setzt sich aus den Buchstaben „IP" („International Protection" oder „Ingress Protection") und zwei Ziffern zusammen. Die erste Ziffer steht dabei für den Schutz vor Staub und Fremdkörpern. Je höher diese Ziffer ist, umso stärker ist das Gerät auch gegen feinsten Staub geschützt. „6" steht für absolute Staubdichtigkeit. Die zweite Kennziffer zeigt den Schutz vor Wasser in verschiedenen Intensitäten oder Szenarien an. Während die 1 Schutz gegen leichtes Tropfwasser bedeutet, impliziert die 9 als höchste Kennziffer den Schutz gegen das Eindringen von Wasser bei Hochdruck- oder Dampfstrahlreinigung.
Beide Schutzarten beziehen sich zwar auf den Schutz durch Gehäuse, unterscheiden sich jedoch im Anwendungsbereich der betreffenden Vorrichtungen. Die IP69k trägt den besonderen Anforderungen für elektrisches oder elektronische Vorrichtungen in mobilen Außenapplikationen wie Straßenfahrzeugen oder landwirtschaftlichen Maschinen Rechnung. Sie wird in der Norm ISO 20653:2013 geregelt. IP69 steht für die Staub- und Wasserbeständigkeit von allgemeinen elektrischen Betriebsmitteln, zu denen auch beispielsweise Computer für den Einsatz in verschiedene Anwendungen, beispielsweise mit
integriertem kapazitiven Touchscreen, oder auch die Medizintechnik gehören. Die Kriterien werden in der Norm DIN EN60529 definiert. Die Schutzarten IP69 und IP69k stehen dabei nicht für unterschiedliche Qualitäten, sondern unterscheiden sich in ihrem Anwendungsbereich („Elektrische Betriebsmittel Allgemein" und „Elektrische Betriebsmittel in Straßenfahrzeugen").
Schallwandlervorrichtungen werden in vielen dieser Anwendungen eingesetzt. Insbesondere in Anwendungen, die mit Umwelteinflüssen, insbesondere mit Wasser, Staub oder viskosen Flüssigkeiten wie Wachs oder Baumharz in Berührung kommen, muss die Schallwandlervorrichtung vor den Umwelteinflüssen geschützt werden. Es ist bekannt, beispielsweise Gitter zur Abdeckung von Schallwandlervorrichtungen zu verwenden. Diese haben jedoch den Nachteil, dass diese bereits nicht wasserabweisend sind und daher die Schutzarten IP69 oder IP69K nicht erfüllen.
Es besteht daher ein Bedarf, eine Schallwandlervorrichtung bereitzustellen, welche die Vorgaben der Schutzarten IP69 und IP69K erfüllt und gleichzeitig Schallempfang, Verarbeitung oder Sendung nicht negativ beeinflusst sind und/oder weiterhin zuverlässig möglich sind. Zusätzlich muss das Eindringen von Flüssigkeiten, sogar unter Druck, vermieden werden, beispielsweise mittels Eindringens in Schlitze, Öffnungen, oder tiefe Einkerbungen. Weiterhin kann es je nach Anwendung erforderlich sein, dass die Oberfläche der Schallwandlervorrichtung lackierbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schallwandlervorrichtung bereitzustellen, welche die Vorgaben der IP69 und IP69K erfüllt und somit einen zuverlässigen Schutz vor dem Eindringen von Staub und von Flüssigkeiten, wie Wasser, Baumharz oder Wachse im flüssigen Aggregatzustand, erlaubt und zum anderen den Anforderungen an eine zuverlässige Schallsignalverarbeitung beispielsweise hinsichtlich ausreichender Empfindlichkeit in einem vorbestimmten Frequenzbereich erfüllt.
Gelöst wird diese Aufgabe mittels einer in Anspruch 1 angegebenen Schallwandlervorrichtung. Die erfindungsgemäße Schallwandlervorrichtung umfasst ein Substrat und einen Schallwandler, welcher mit einem Ende eines Schallkanals des Substrats akustisch verbunden ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandlervorrichtung
eine wasserdichte akustische Membran aufweist, welche ein anderes Ende des Schallkanals abdeckt.
Eine Membran im Sinne der Erfindung weist eine Ausdehnung auf, die in einem kartesischen Koordinatensystem mit x, y und z-Achse in z Richtung - entspricht der Membrandicke in Einbaulage - eine kleinere Ausdehnung aufweist als in der x, y-Ebene. Als akustische Membran wird eine Membran verstanden, die nach Anbringen auf das Substrat durch Schalldruckwellen aus der Umgebung wenigstens teilweise in Schwingung versetzt werden kann. Die Membranschwingung bewirkt erneut Schalldruckwellen im Schallkanal, die von dem Schallwandler empfangen werden. Dies ist bei Membranen möglich, die entsprechend flexibel ausgebildet sind, wie nachstehend noch näher erläutert ist. Im Ergebnis verhindert die Membran, dass die Schalldruckwellen aus der Umgebung direkt von dem Schallwandler empfangen werden.
Eine Membran wird im Sinne der Erfindung als wasserdicht angesehen, wenn sie den Test der Schutzart IP69 und/oder IP69K besteht. Dies erlaubt zum einen den zuverlässigen Schutz vor dem Eindringen von Staub und als Umwelteinflüssen zu erwartenden Flüssigkeiten wie Wasser, Baumharz oder Wachsen im flüssigen Aggregatzustand zum anderen den Anforderungen an eine zuverlässige Schallsignalverarbeitung beispielsweise hinsichtlich ausreichender Empfindlichkeit in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfüllen.
Zusätzlich hierzu erlaubt die erfindungsgemäße Schallwandlervorrichtung besonders vorteilhaft die konstruktiv einfache Anpassung der Schallwandlervorrichtung an einen vorgegebenen Bauraum, da die erfindungsgemäße Membran Schallenergie überträgt, ohne selbst einen großen zusätzlichen Bauraum zu erfordern.
Eine Schallwandlervorrichtung ist eine Vorrichtung, bei der akustische Signale in Form von Druckwellen in elektrische Signale, insbesondere eine elektrische Spannung, umgewandelt werden oder umgekehrt bei der eine elektrische Spannung in akustische Signale in Form Druckwellen umgewandelt werden. Dabei sind die Druckwellen nicht auf den für den Menschen hörbaren Frequenzbereich beschränkt und umfassen somit auch außerhalb des Hörbereichs liegende Druckwellen. Die Schallwandlervorrichtung kann als ein Microelectromechanical system (MEMS) ausgeführt sein.
Als akustische Verbindung wird eine Verbindung zwischen zwei Bereichen verstanden, bei denen akustische Energie, insbesondere Schallenergie, von einem Bereich zu einem anderen Bereich übertragen werden kann. Die Übertragung kann durch gleiche und/oder unterschiedliche Medien erfolgen. Darüber hinaus kann die Energieübertragung die Umwandlung von mechanischer Energie, wie beispielsweise Schwingungsenergie der Membran, in akustische Energie oder umgekehrt beinhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Schallwandlervorrichtung kann das Substrat eine Steuervorrichtung aufweisen oder die Steuervorrichtung sein oder in das Substrat eingearbeitet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat eine Ansteuerungs- und/oder Signalaufbereitungsvorrichtung aufweisen. Die Membran kann vorzugsweise mit dem Substrat, insbesondere der Steuervorrichtung, fest verbunden sein. Die Steuervorrichtung kann vorzugsweise ein Printed Circuit Board (PCB) umfassen oder sein. Das Printed Circuit Board dient als Träger für elektronische Bauteile, insbesondere für wenigstens eine Datenverarbeitungseinheit, wie einen oder mehrere Prozessoren. Sie wird alternativ auch als Leiterplatte bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Printed Circuit Board als Träger für eine Ansteuerungs- und/oder Signalaufbereitungsvorrichtung dienen.
Der Schallwandler kann in Einbaurichtung unterhalb der Steuervorrichtung, insbesondere unterhalb der PCB angeordnet sein. Insbesondere können der Schallwandler und die Membran an sich gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Schallwandler herstellungstechnisch einfach bereitgestellt werden kann, da die Schallöffnung in Einbaurichtung der Schallwandlervorrichtung zur Außen- oder Umgebungsseite angeordnet wird. Hierdurch wird konstruktiv einfach die Schallwandlervorrichtung, inklusive ihres Substrats, insbesondere der Steuervorrichtung, vor Staub oder Umwelteinflüssen wie insbesondere Wasser geschützt, ohne für eine Anwendung des Schallwandlers welche die Schutzart IP69 und/oder IP69K erfordern weitere Maßnahmen an einer Anwendungsvorrichtung zu erfordern.
Als Außenseite der Schallwandlervorrichtung wird die Seite verstanden, die beim Betrieb der Schallwandlervorrichtung der Umgebung zugewandt ist. Als Einbaurichtung wird die Richtung verstanden, entlang der die Schallwandlervorrichtung bewegt wird, um sie in eine Anwendungsvorrichtung einzubauen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Membran auf dem Substrat angeordnet, insbesondere angeklebt sein, insbesondere kann dies mittels mindestens einer Klebeschicht erfolgen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass durch eine direkte Anordnung auf dem Substrat, vorzugsweise der Steuervorrichtung, insbesondere eine PCB, sowohl der Schallwandler als auch das Substrat konstruktiv besonders einfach und zuverlässig gegen das Eindringen von Umwelteinflüssen geschützt sind. Bei dieser Anbringungsart kann die Membran im Bereich des Schallkanals einen schallübertragenden Bereich aufweisen. Als schallübertragender Bereich wird ein Bereich der Membran verstanden, der bei Beaufschlagung mit Schalldruckwellen ganz oder teilweise in Schwingung versetzt wird und somit Schallenergie in den Schallkanal überträgt.
Das andere Ende des Schallkanals kann eine Schallöffnung umfassen. Als Schallöffnung wird eine Öffnung verstanden, über die Schalldruckwellen in den Schallkanal gelangen. Wie nachstehend detaillierter beschrieben ist, werden diese Schalldruckwellen durch die Membran, insbesondere den schallübertragenden Bereich der Membran, erzeugt. Die Schallwandlervorrichtung kann derart konfiguriert sein, dass eine Schalldruckwelle den Schallkanal passiert, bevor sie von dem Schallwandler empfangen wird.
Der Schallwandler kann ein Schallwandlergehäuse und einen Schallempfänger und/oder - sender aufweisen. Das Schallwandlergehäuse kann einen Innenraum des Schallraums wenigstens teilweise umschließen. Darüber hinaus kann im zusammengebauten Zustand das Substrat den Innenraum des Schallwandlersteilweise abschließen. Der Schallempfänger und/oder -sender kann in dem Innenraum des Schallwandlers angeordnet sein. Darüber hinaus kann der Innenraum des Schallwandlers mit der Schallöffnung akustisch verbunden sein.
Die Membran kann einen akustischen Raum abschließen, der sich aus dem Schallkanal und dem Innenraum des Schallwandlers zusammensetzt. Der akustische Raum kann durch die zuvor genannten Komponenten vollständig abgeschlossen sein. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass durch Bereitstellen eines vorbestimmten Volumens für den akustischen Raum konstruktiv einfach ein vorgegebener Resonanzfrequenzbereich eingestellt werden kann. Dadurch können unerwünschte Frequenzbereiche durch die Schallwandlervorrichtung herausgefiltert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass das,
insbesondere von der Membran, insbesondere dem schallübertragenden Bereich der Bereich, transmittierte, Schallsignal verstärkt wird.
Geeignete Membranen können beispielsweise ein Polyimid aufweisen, insbesondere ein duroplastisches Polyimid, insbesondere poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimid) auch Kapton genannt, oder daraus gebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass derartige Membranen, und hier insbesondere Kapton, eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien aufweisen, wasserdicht sind im Sinne der IP69 bzw. IP69Kund zusätzlich elektrisch isolierend sind. Derartige Membranen weisen zudem eine hohe Zugfestigkeit auf (3 GPa), wobei eine derartige Membran hierbei ihre Flexibilität behält. Der Erhalt der Flexibilität dient dazu, eine Dämpfung der mechanischen Schallübertragungsenergie zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Die Zugbeständigkeit dient dazu, einen Verlust der Resonanzfähigkeit zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Derartige Membranen und insbesondere Kapton haben zusätzlich eine gute Temperaturbeständigkeit, insbesondere in einem Bereich von - 269 °C bis 400 °C, wodurch sie über den erforderlichen Temperaturbereich von -40 °C bis 100 °C konstante mechanische Eigenschaften aufweisen. Derartige Membranen können zusätzlich mittels Pick and Place Maschinen gehandhabt werden, was eine Anordnung mit hoher Präzision erlaubt, was herstellungstechnisch ein weiterer Vorteil ist. Insbesondere Kapton ist zudem ROHS und IATF zertifiziert. Kapton ist in einer Anzahl von Membrandicken, Beschichtungen und Farben bereitstellbar, so dass zusätzliche gewünschte Eigenschaften herstellungstechnisch einfach umgesetzt werden können.
Zusätzlich oder alternativ kann die Membran einen Polyester aufweisen, insbesondere einen biaxial orientierten Polyester, insbesondere ein biaxial orientiertes Polyethylenterephthalat (BOPE), beispielsweise Mylar, oder daraus gebildet sein. Derartige Polyester, insbesondere BOPE, insbesondere Mylar sind beständig gegenüber Chemikalien, und wasserdicht gemäß den Schutzarten IP69 bzw. IP69K. Derartige Membranen weisen zudem eine hohe Zugfestigkeit auf (4 GPa), wobei eine derartige Membran hierbei ihre Flexibilität behält. Der Erhalt der Flexibilität dient dazu, eine Dämpfung der mechanischen Schallübertragungsenergie zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Die Zugbeständigkeit dient dazu, einen Verlust der Resonanzfähigkeit zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Derartige Membranen und insbesondere Mylar haben zusätzlich eine gute Temperaturbeständigkeit, insbesondere in einem Bereich von - 70 °C bis 150 °C, wodurch sie über den erforderlichen Temperaturbereich von -40 °C bis 100 °C konstante
mechanische Eigenschaften aufweist. Derartige Membranen können meistens zusätzlich mittels Pick and Place Maschinen gehandhabt werden, was eine Anordnung mit hoher Präzision erlaubt, was herstellungstechnisch ein weiterer Vorteil ist. Insbesondere Mylar ist zudem ROHS und IATF zertifiziert. Mylar ist zusätzlich in einer Vielzahl an Membrandicken, Beschichtungen und Farben bereitstellbar, so dass zusätzliche gewünschte Eigenschaften herstellungstechnisch einfach umgesetzt werden können.
Zusätzlich oder alternativ kann die Membran luftundurchlässig sein und/oder beschichtbar, insbesondere lackierbar, und/oder druckbeständig sein, insbesondere bis zu einem Druck von 10.000 kPa und/oder temperaturbeständig in einem Temperaturbereich von -269 °C bis 400 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von -70 °C bis 150 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 100 °C. Eine luftundurchlässige Membran ist besonders vorteilhaft, da sie besonders einfach zu beschichten, insbesondere zu lackieren ist, da ein Eindringen von Aerosolen während des Beschichtens oder Lackierens konstruktiv einfach zuverlässig vermieden werden kann. Vorzugsweise besteht die Membran aus demselben Material.
Die Membran kann mit einer leitfähigen Beschichtung versehen sein. So kann durch eine leitfähige Beschichtung auf einer PCB-Seite, insbesondere an einer von dem Schallwandler abgewandten Seite, eine Ladung in die Membran eingebracht werden. Bringt man eine Ladung auf die Membran auf, kann damit mit einer statischen Gegenelektrode ein Plattenkondensator gebildet werden, der seine Kapazität direkt proportional zur Auslenkung durch ankommende Schallwellen verändert (Prinzip Kondensatormikrofon) oder durch abstoßende Ladungen ein Sender konstruiert werden (Prinzip Elektrostatischer Lautsprecher). Wird eine neutrale Ladung eingebracht, kann die Membran als Abschirmung gegen elektrische Felder dienen und elektrostatische Entladungen vom eigentlichen Schallwandler ableiten.
Die Schallwandlervorrichtung kann in einer Ausführungsform mindestens eine Deckschicht und/oder mindestens eine Abstandsschicht und/oder mindestens eine Klebeschicht aufweisen. Als Deckschicht wird eine Schicht bezeichnet, die der Umgebung direkt zugewandt ist. Dabei wird die Deckschicht mit den Schalldruckwellen aus der Umgehung beaufschlagt. Als Abstandschicht wird eine Schicht verstanden, die zwischen der Deckschicht und dem Substrat angeordnet ist.
Die Deckschicht kann auf mindestens einer Abstandsschicht und/oder mindestens einer Klebeschicht angeordnet sein. Das Vorsehen von einer oder mehreren Abstandsschichten bietet den Vorteil, dass die Dimension der Schallwandlervorrichtung in Dickenrichtung des Substrats angepasst werden kann, um die Schallwandlervorrichtung beispielsweise an die räumlichen Gegebenheiten in der Anwendungsvorrichtung auf einfache Weise anzupassen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil die Substrate oftmals in standardisierten Größen vorliegen und daher eine Anpassung in Dickenrichtung nicht möglich oder sehr teuer ist. Die Deckschicht kann eine Klebeschicht aufweisen. Die Klebeschicht kann ringförmig sein und kann die Schallöffnung umschließen.
Die Abstandsschicht kann im Bereich der Schallöffnung einen Hohlraum aufweisen. Der Hohlraum kann im Querschnitt, insbesondere quer zu der Dickenrichtung des Substrats, eine runde oder elliptische Form aufweisen. Dabei kann ein Hohlraumquerschnitt gleich einem Schallöffnungsquerschnitt ausgeführt sein. Alternativ kann der Hohlraumquerschnitt größer als die Schallöffnung sein. Der Hohlraum kann mit dem Schallkanal fluidisch verbunden sein. Insbesondere kann der Hohlraum koaxial zu dem Schallkanal angeordnet sein.
Dabei können sich bei Vorsehen von mehreren Abstandsschichten die Hohlraumquerschnitte der einzelnen Abstandsschichten voneinander unterscheiden. Dies ist insbesondere notwendig, wenn die Deckschicht einen konvexen Verlauf hat, wie nachstehend näher beschrieben ist. Die mindestens eine Abstandschicht und die Deckschicht können aus dem gleichen Material bestehen. Das Vorsehen von einer oder mehreren Abstandsschichten mit Hohlraum bietet außerdem den Vorteil, dass der akustische Raum auf einfach Weise eingestellt werden kann, um den gewünschten Resonanzfrequenzbereich zu erhalten.
Bei einer alternativen Ausführung kann die Abstandsschicht im Bereich der Schallöffnung keinen Hohlraum aufweisen. Durch Vorsehen von einer oder mehreren Abstandsschichten ohne Hohlraum kann ein Resonanzdämpfungsverhalten des akustischen Raums auf einfache Weise eingestellt werden.
Die mindestens eine Abstandsschicht kann eine Klebeschicht aufweisen. Dabei kann die Klebeschicht als ringförmige Klebeschicht ausgeführt sein.
Die ringförmige Anordnung der Klebeschicht bei der Deckschicht und/oder der Abstandsschicht um die Schallöffnung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Klebeschicht herstellungstechnisch einfach auszuführen ist.
Die Membran kann in einer Ausführungsform eine Dicke von 0,01 bis 0,1 mm (Millimeter) aufweisen, insbesondere eine Dicke von 0,02 bis 0,05 mm, insbesondere eine Dicke von 0,05 - 0,03 mm. Dies hat den Vorteil, dass die Membran konstruktiv einfach eine gute Schallübertragung ermöglicht. Ein Elastizitätsmodul der Membran kann besonders bevorzugt zwischen 1 ,5 und 4 GPA, insbesondere 1 ,7 - 3,5 GPA betragen. Dieser Bereich ist besonders vorteilhaft für Flexibilität und Zugfestigkeit der Membran.
Die Schicht oder Schichten der Membran können in der Größe und Form entsprechend der Anforderung der gewünschten Anwendung gewählt werden. Zur sicheren Erfüllung der Schutzarten IP69 bzw. IP69K ist es vorteilhaft, die Membran mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1 mm relativ zur Schallöffnung anzuordnen.
Bei einer besonderen Ausführung kann die Schallwandlervorrichtung eine Membran mit mindestens einer Klebeschicht aufweisen, wobei mindestens eine Klebeschicht die Membran mit dem Substrat, insbesondere der Steuervorrichtung, verbindet. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Schallwandlervorrichtung konstruktiv besonders einfach ausgestaltet ist. Die mindestens eine Klebeschicht kann hierbei bevorzugt einen Adhäsionsbereich der Membran mit dem Substrat bilden.
Besonders bevorzugt kann die Membran in einem schallübertragenden Bereich der Membran keine Klebeschicht aufweisen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass das Flächengewicht der Membran in diesem Bereich gegenüber einer Ausführung, bei der schallempfangende Bereich der Membran eine Klebeschicht aufweist, reduziert ist. Dies ist bezüglich der Schallübertragung durch die Membran von Vorteil.
Die Membran kann in einer Ausführungsform konkav oder konvex oder eben ausgebildet sein, wobei der konkave, konvexe oder ebene Teil der Membran den schallübertragenden
Bereich der Membran umfasst. Eine konkave oder konvexe Ausbildung der Membran, insbesondere der Deckschicht, verbessert die akustische Empfindlichkeit der Schallwandlervorrichtung. Die akustische Empfindlichkeit hängt von der Fläche und Geometrie des schallübertragenden Bereichs der Bereich ab. Im Ergebnis kann die Schallwandlervorrichtung konstruktiv einfach je nach gewünschten Eigenschaften optimiert ausgebildet werden.
Bei einer konvexen Ausbildung der Membran, insbesondere der Deckschicht, kann die Abstandsschicht einen Hohlraumquerschnitt aufweisen, der größer ist als die Schallöffnungsquerschnitt. Bei Vorsehen von mehreren Abstandsschichten kann sich der Hohlraumquerschnitt der Abstandsschicht in eine von dem Substrat zu der Deckschicht gerichteten Richtung vergrößern. Dies bedeutet, dass die einzelnen Abstandsschichten unterschiedliche Hohlraumquerschnitte aufweisen. Bei einer konvexen Ausbildung der Membran steht ein Teil der Membran, der den schallübertragenden Bereich aufweist, von dem verbleibenden Teil der Membran in eine Richtung weg von dem Substrat vor.
Bei einer besonderen Ausführung kann ein Schallkanalverlauf zwischen dem Ende dem Schallwandler zugewandten Ende und dem anderen Ende des Schallkanals, das der Membran zugewandt ist, nicht konstant sein. Insbesondere kann der Schallkanal einen sich entlang der Dickenrichtung des Substrats verändernden Querschnitt aufweisen. Dabei kann sich der Querschnitt des Schallkanals entlang der Dickenrichtung des Substrats verengen. Insbesondere kann sich der Querschnittverlauf ausgehend von dem anderen Ende des Schallkanals in Richtung zum Ende des Schallkanals, also in Richtung zum Schallwandler, verkleinern.
Der Querschnittverlauf kann achsensymmetrisch, insbesondere kegelförmig, konkav, trichterförmig und/oder stufenförmig achsensymmetrisch ausgebildet sein. Alternativ kann die Querschnittsverengung auch nicht achsensymmetrisch ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn sich der Querschnitt ausgehend von der Membran in Richtung zum Schallwandler hin verengt. Dadurch wird eine Druckerhöhung innerhalb des Schallkanals erreicht, was die Empfindlichkeit der Schallwandlervorrichtung verbessert. Insbesondere ist eine derartige Ausführung von Vorteil, bei der die Schallöffnung und damit die zur Schallübertragung eingesetzte Membranfläche nicht groß ist, und somit wenig Schallenergie in den Schallkanal übertragen wird. Die Schallöffnung und die Membranfläche
können jedoch nicht beliebig vergrößert werden, weil in diesem Fall der akustische Raum verkleinert werden muss, um einen vorgegeben Resonanzfrequenzbereich zu erhalten. Eine Verkleinerung des akustischen Raums ist jedoch nicht immer möglich.
Der Schallkanal kann wenigstens zwei Abschnitte aufweisen, wobei ein erster Abschnitt einen sich entlang der Dickenrichtung verändernden Querschnitt aufweist. Insbesondere verkleinert sich der Querschnitt bei einer Richtung ausgehend von der Membran in Richtung zum Schallwandler. Ein zweiter Abschnitt, der unmittelbar an den ersten Abschnitt anschließen kann, kann einen konstanten Querschnitt aufweisen. Der zweite Abschnitt kann mit dem Schallwandler direkt verbunden sein.
Dabei kann ein Flächenverhältnis einer Fläche der des anderen Endes des Schallkanals, das der Membran zugewandt ist, zu einer Fläche des Endes des Schallkanals, das zu dem Schallwandler (2) weist, zwischen 1 ,5 und 10, vorzugsweise zwischen 3 bis 8, insbesondere 6,25, sein. Dabei kann die Fläche des anderen Endes des Schallkanals einer Fläche der Schallöffnung entsprechen. Das dem Schallwandler zugewandte Ende des Schallkanals mündet in den Innenraum des Schallwandlers.
In einer weiteren Ausführungsform der Schallwandlervorrichtung kann ein Schallkanalmedium eine gegenüber einem Außenmedium, insbesondere Luft, gleiche oder unterschiedliche Dichte aufweisen oder eine andere Phase bilden. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Schall zusätzlich optimiert von dem Schallwandler empfangen wird, da keine oder nur geringe Phasenverluste auftreten. Derartige Verluste entstehen durch den Phasenübergang zwischen unterschiedlichen Medien (Gas, Membran, Gas, Schallwandler). Das Schallkanalmedium kann bevorzugt Luft oder eine nicht-kompressible Flüssigkeit, insbesondere ein Öl, insbesondere ein Mineralöl, aufweisen oder sein. Darüber hinaus kann das Schallkanalmedium gegenüber der umliegenden Atmosphäre einen anderen Druck aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schallwandlervorrichtung umfassend ein Substrat und einen Schallwandler, welcher mit einem Ende eines Schallkanals des Substrats akustisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandlervorrichtung eine wasserdichte akustische Membran aufweist, welche ein anderes Ende des Schallkanals
abdeckt, bereitgestellt, umfassend einen Schritt der Anordnung der Membran auf dem Substrat, wobei die Membran einen Schallkanal des Substrats abdeckt.
Das Verfahren kann optional einen weiteren Schritt aufweisen, in welchem der Schallwandler mit einer der Membran gegenüberliegenden Seite des Substrats verbunden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional den Schritt umfassen, dass die Membran mittels mindestens einer Klebeschicht auf dem Substrat angeordnet, insbesondere befestigt, wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional den Schritt umfassen, dass die Membran mittels eines Lötverfahrens oder eines Reflow-Verfahrens auf dem Substrat angeordnet, insbesondere befestigt, wird. Darüber hinaus kann der Schallwandler mittels eines Lötverfahrens an dem Substrat befestigt werden. Optional kann das erfindungsgemäße Verfahren einen weiteren Schritt aufweisen, bei welchem die mindestens eine Deckschicht auf mindestens eine Abstandsschicht aufgebracht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann optional einen Schritt umfassen, bei welchem eine Fläche der Membran mit mindestens einer Klebeschicht versehen wird, insbesondere die gesamte Fläche der Membran. Alternativ kann die mindestens eine Klebeschicht derart aufgetragen werden, dass ein vorbestimmter Bereich der Membran frei von der Klebeschicht ist, insbesondere ein schallübertragender Bereich der Membran.
Zusätzlich oder alternative kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt aufweisen, bei welchem die mindestens eine Klebeschicht in einem Adhäsionsbereich der Membran aufgetragen wird, insbesondere ringförmig aufgetragen wird.
Zusätzlich oder alternative kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt aufweisen, bei welchem die mindestens eine Klebeschicht zeitlich vor einem Zusammensetzungsschritt der Membran aufgetragen wird.
Zusätzlich oder alternative kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt aufweisen, bei welchem die mindestens eine Klebeschicht in einer vorbestimmten Menge aufgetragen wird, insbesondere beispielsweise zur Einstellung einer vorbestimmten Signal Noise Ratio der Schallwandlervorrichtung.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Positionsbestimmungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine erfindungsgemäße Schallwandlervorrichtung.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine erfindungsgemäße Schallwandlervorrichtung oder eine Positionsbestimmungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zum autonomen Fahren, und/oder in einem Kommunikationssystem und/oder in einer Mikrophonanwendung und/oder in einer industriellen Anwendung und/oder in Anwendungen zur Kollisionsvermeidung und/oder Vorrichtungen zur Anwesenheitsdetektion eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Schallwandlervorrichtung bei einer Geräuschortung und/oder bei einer predictive Maintenance Anwendung und/oder bei einer Abstandsmessung und/oder einer Füllstandsmessung eingesetzt werden.
Die Positionsbestimmungsvorrichtung kann zur ein- oder mehrdimensionalen, vorzugsweise dreidimensionalen, Positionsbestimmung eingesetzt werden. Bei der Positionsbestimmung kann wenigstens eine Schallwandlervorrichtung oder können mehrere Schallwandlervorrichtungen eingesetzt werden. Dabei kann ein Schallwandlervorrichtung als Sender fungieren. Darüber hinaus kann wenigstens eine, insbesondere genau drei, Schallwandlervorrichtungen jeweils als Empfänger fungieren. Insbesondere ist eine Ausführung denkbar, bei der mehrere Schallwandler, insbesondere drei Schallwandler an demselben Printed Circuit Board angeordnet sind. In diesem Fall ist nur eine Schallwandlervorrichtung zum Bestimmen der 3D-Position vorhanden. Alternativ kann jeweils ein Schallwandler an jeweils einem Printed Circuit Board angeordnet sein. In diesem Fall sind mehrere Schallwandlervorrichtungen vorhanden.
Zur dreidimensionalen Positionsbestimmung können der Sender und ein Empfänger oder zwei Empfänger auf einer Gerade liegen. Der dritte Empfänger ist derart angeordnet, dass er nicht auf der Gerade angeordnet ist. Der Sender und alle Empfänger liegen in einer Ebene, die die Gerade aufweist. Das Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, ist derart angeordnet, dass es beabstandet zu der Ebene ist. Mit anderen Worten, das Objekt ist nicht in der Ebene angeordnet. Der Sender kann nach Aussenden des Sendesignals als einer der Empfänger fungieren. Dies bedeutet, dass der Sender sowohl das Sendesignal senden als auch Signale empfangen kann. Eine auf dem Printed Circuit Board angeordnete
Datenverarbeitungseinheit, insbesondere wenigstens ein Prozessor, kann die Position im Raum, insbesondere eine Position im dreidimensionalen Raum, auf der Basis der empfangenen Signale berechnen.
In den Figuren ist der Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt, wobei gleiche oder ähnlich wirkende Elemente in der Regel mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Figuren 1A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Figuren 2A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Figuren 3A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Figuren 4A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Figuren 5A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Figuren 6A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
Figuren 7A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
Figuren 8A-B zeigen eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Schallwandlervorrichtung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.
Figur 10 zeigt schematisch die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Schallwandlervorrichtung.
Figuren 1A-B zeigen eine Schallwandlervorrichtung 1. Dabei zeigt Figur 1 B einen hervorgehobenen Ausschnitt 25 aus Fig. 1 . Die Schallwandlervorrichtung 1 umfasst einen Schallwandler 2, welcher mit einem Ende 16 des Schallkanal 12 eines Substrats 17 akustisch verbunden ist. Der Schallwandler 2 weist ein Schallwandlergehäuse 28 und einen Schallempfänger und/oder -sender 3 auf, der in einem Innenraum 19 des Schallwandlers 2 angeordnet ist. Der Innenraum 19 wird durch das Schallwandlergehäuse 28 und das Substrat 17 begrenzt. Der Schallwandler 2 ist in Einbaurichtung E der Schallwandlervorrichtung 1 unterhalb des Substrats 17 angeordnet.
Der Schallkanal 12 weist ein anderes Ende auf, das eine Schallöffnung 4 umfasst, wobei Schalldruckwellen die Schallöffnung 4 passieren, bevor sie zu dem Schallwandler 2 gelangen, was nachstehend näher beschrieben wird. Dabei erstreckt sich der Schallkanal 12 durch die gesamte Dicke des Substrats 17. Als Dicke wird die Erstreckung des Substrats 17 zwischen einer der Umgebung zugewandten Substratseite und einer dem Schallwandler 2 zugewandten Substratseite verstanden. Dabei entspricht die Dicke der Erstreckung des Substrats 17 entlang der z-Richtung des in Fig. 1A eingezeichneten Koordinatensystems und/oder einer Erstreckung zwischen dem Ende 16 und der Einlassöffnung 4.
Die Schallwandlervorrichtung 1 weist eine wasserdichte akustische Membran 5 auf, welche den Schallkanal 12 vollständig abdeckt. Insbesondere deckt die Membran 5 die Schallöffnung 4 ab. Die Membran 5 ist auf einer zu einer Umgebung gerichteten Seite des Substrats 17 angeordnet und umfasst eine Deckschicht 6 und eine Klebeschicht 1 1 , wobei die Klebeschicht 1 1 die Deckschicht 6 der Membran 5 vollständig bedeckt. Die Membran 5 ist mittels der Klebeschicht 1 1 auf dem Substrat 17 angeordnet, insbesondere angeklebt. Das Substrat 17 ist beispielsweise eine Steuervorrichtung, beispielsweise ein Printed Circuit Board. Die Membran 5 weist zwei Bereiche auf, einen schallübertragenden Bereich 23 und einen Adhäsionsbereich 24. Der schallübertragende Bereich 23 ist der Abschnitt der Membran 5, der bei Beaufschlagung der Membran 5 mit einer Schallwelle schwingt, sodass Schallenergie in den Schallkanal 12 übertragen wird. Wie aus den Figuren 1A und 1 B ersichtlich ist, ist der schallübertragende Bereich im Bereich des Schallkanals 12 angeordnet.
Insbesondere kann ein Querschnitt des schallübertragenden Bereichs einem Schallöffnungsquerschnitt 9 entsprechen.
Die Schallwandlervorrichtung 1 weist außerdem einen akustischen Raum 18 auf. Der akustische Raum 18 ist ein abgeschlossener Raum, der sich aus dem Innenraum 19 des Schallwandlers 2 und dem Schallkanal 12 zusammensetzt. Ein Resonanzdämpfungsverhalten der Schallwandlervorrichtung 1 hängt von der Dicke und/oder dem Material und/oder der Vorspannung der Membran 5 und der im schallübertragenden Bereich 23 der Membran 5 vorhandenen Klebeschicht 1 1 ab. Ein Resonanzfrequenzverhalten, insbesondere ein Resonanzfrequenzbereich, der Schallwandlervorrichtung 1 hängt vom Volumen des akustischen Raums 18 ab. Eine akustische Empfindlichkeit der Schallwandlervorrichtung 1 ist unter anderem abhängig von der Fläche und der Geometrie der im Bereich des Schallkanals 12 befindlichen Deckschicht 6.
Figuren 2A-B zeigen eine zweite Ausführungsform, wobei im Folgenden nur auf die Unterschiede zu der ersten Ausführung eingegangen wird. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Membran 5 im schallübertragenden Bereich 23 keine Klebeschicht 1 1 aufweist. Hierdurch wird die Masse des schallübertragenden Bereichs 23 der Schallwandlervorrichtung 1 reduziert.
Da bei der Ausführung keine Klebeschicht 1 1 an dem schallübertragenden Bereich 23 vorhanden ist, hängt das Resonanzdämpfungsverhalten des akustischen Raums 18 von der Dicke und/oder dem Material und/oder der Vorspannung der Membran 5 ab. Hingegen hängt bei der ersten Ausführungsform das Resonanzdämpfungsverhalten des akustischen Raums 18 von der Membran 5 und der Klebschicht 1 1 ab. Das Resonanzfrequenzverhalten, insbesondere ein Resonanzfrequenzbereich, hängt vom Volumen des akustischen Raums 18 ab. Die akustische Empfindlichkeit der Schallwandlervorrichtung 1 ist unter anderem abhängig von der Fläche und der Geometrie des schallübertragenden Bereichs 23.
Figuren 3A-B zeigen eine dritte Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Figuren 1 A-B gezeigten ersten Ausführungsform in der Ausbildung der Membran 5. Die Membran 5 umfasst bei der dritten Ausführungsform zusätzlich zu der Deckschicht 6 eine Abstandsschicht 7, auf welcher die Deckschicht 6 mittels einer
Klebeschicht 1 1 angeordnet ist. Insbesondere ist die Deckschicht 6 mittels der Klebeschicht 1 1 mit der Abstandsschicht 7 fest verbunden. Die Klebeschicht 1 1 ist gleichmäßig auf der gesamten Unterseite der Deckschicht 6 verteilt. Die Abstandsschicht 7 ist auf dem Substrat 17 angeordnet und mittels einer weiteren Klebeschicht 1 1 mit dem Substrat 17 fest verbunden. Im Ergebnis ist die Abstandsschicht 7 in z-Richtung gesehen zwischen der Deckschicht 6 und dem Substrat 17 angeordnet.
Die Abstandsschicht 7 unterscheidet sich von der Deckschicht 6 insofern, dass sie im Bereich der Schallöffnung 4 einen Hohlraum 10 aufweist. Der Hohlraum 10 ist koaxial zu dem Schallkanal 12 angeordnet. Die Deckschicht 6 weist hingegen im Bereich der Schallöffnung 4 den schallübertragenen Bereich 23 auf. Eine derartige Ausbildung der Abstandschicht 7 führt dazu, dass das Volumen des akustischen Raums 18 im Vergleich zu der ersten Ausführung um das Volumen des Hohlraums 10 größer ist.
Analog zu der in den Figuren 1 A, 1 B dargestellten ersten Ausführungsform hängt das Resonanzdämpfungsverhalten des akustischen Raums 18 von der Dicke der Deckschicht 6 in z-Richtung und der aufgebrachten Klebeschicht 1 1 ab.
Figuren 4A-B zeigt eine vierte Ausführungsform. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform in der Ausbildung der Membran 5, insbesondere der Deckschicht 6 und der Abstandsschicht 7. So ist die Deckschicht 6 im Bereich der Schallöffnung 4 konkav ausgebildet. Der konkav ausbildete Teil der Deckschicht 6 umfasst den schallübertragenden Bereich 23. Die Abstandsschicht 7 weist im Bereich der Schallöffnung 4 einen Hohlraum 10 auf, dessen Querschnitt größer ist als der Schallöffnungsquerschnitt 9. Die aufgrund der konkaven Ausbildung der Deckschicht 6 entstehende konkave Vertiefung 22 wirkt sich günstig auf die akustische Empfindlichkeit der Schallwandlervorrichtung 1 aus. Wie oben bereits erläutert ist, hängt die akustische Empfindlichkeit der Schallwandlervorrichtung 1 von der Fläche und der Geometrie der im Bereich des Schallkanals 12 befindlichen Deckschicht 6 ab.
Figuren 5A-B zeigt eine fünfte Ausführungsform. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform in der Anbringung der Klebeschicht 1 1 an der Deckschicht 6. So ist die Klebeschicht 1 1 zwar gleichmäßig auf der Unterseite der Deckschicht 6 verteilt, jedoch besteht ein Unterschied darin, dass die Klebeschicht 1 1 im Bereich der
Schallöffnung 4 als kreisförmiger Ring ausgeführt ist. Dadurch kann eine dauerhafte Verbindung gewährleistet werden.
Die Auftragung der Klebeschicht 1 1 auf den Schichten der Membran 5 erfolgt vor dem Zusammenbau und dient dazu, stabilere und leichtere Baugruppen zu bilden.
Figuren 6A-B zeigen eine sechste Ausführungsform. Die sechste Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Figuren 3A, 3B dargestellten dritten Ausführungsform in der Ausbildung der Membran 5. So weist die Membran 5 zwei Abstandsschichten 7 auf, die übereinander angeordnet und mittels einer Klebeschicht 1 1 miteinander befestigt sind. Dabei weist die von dem Substrat 17 weiter entfernte Abstandsschicht 7 einen größeren Hohlraumquerschnitt auf als die auf dem Substrat 17 angeordnete Abstandsschicht 7. Dies ermöglicht, dass die Deckschicht 6 im Bereich des Schallkanals 12 konkav ausgebildet ist.
Die Deckschicht 6 ist mittels einer ringförmigen Klebeschicht 1 1 mit der auf dem Substrat 17 direkt angebrachten Abstandsschicht 7 fest verbunden. Der die Schallöffnung 4 abdeckende schallübertragende Bereich 23 der Membran 5 weist keine Klebeschicht 1 1 auf.
Figuren 7A-B zeigen eine siebte Ausführungsform einer Schallwandlervorrichtung 1 . Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform in der Ausbildung der Membran 5. So weist die siebte Ausführungsform in Summe fünf Abstandsschichten 7 während hingegen die sechste Ausführungsform zwei Abstandsschichten 7 aufweist.
Dabei sind zwei Abstandsschichten 7 derart ausgebildet, dass deren jeweiliger Hohlraum 10 das Volumen des akustischen Raums 18 vergrößert. Insbesondere entspricht der Hohlraumquerschnitt der jeweiligen Abstandsschicht 7 dem Schallöffnungsquerschnitt 9. Dabei handelt es sich um die beiden Abstandsschichten, die dem Substrat 17 näher zugeordnet sind als die verbleibenden Abstandsschichten 7. Die verbleibenden Abstandsschichten weisen einen Hohlraumquerschnitt auf, der größer ist als der Schallöffnungsquerschnitt 9. Dabei vergrößert sich Hohlraumquerschnitt entlang einer Richtung von dem Substrat 17 in Richtung zur Deckschicht 6.
Da sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Abstandsschichten 7 im Hohlraumquerschnitt von dem Lochquerschnitt unterscheiden, weist die konkave Vertiefung 22 der Deckschicht ein größeres Volumen auf als die konkave Vertiefung 22 der sechsten Ausführung.
Ein weiterer Unterschied ist, dass keine ringförmige Klebeschicht 1 1 vorhanden ist, die die Deckschicht 6 mit einer Abstandsschicht 7 verbindet. Die Klebeschicht 1 1 ist gleichmäßig auf der gesamten Deckschicht 6, mit Ausnahme des schallübertragenden Bereichs 23, verteilt.
Der akustische Raum 18 ist bei der siebten Ausführung größer als bei der sechsten Ausführung. Dies resultiert daraus, dass zwei Abstandsschichten 7 mit jeweils einem Hohlraum 10 vorhanden sind, während hingegen bei der sechsten Ausführung eine Abstandsschicht 7 vorhanden ist, dessen Hohlraum 10 einen Teil des akustischen Raums 18 bildet.
Figuren 8A-B zeigen eine achte Ausführungsform. Die achte Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform in der Ausbildung der Membran 5. Insbesondere hat die Deckschicht 6 im Bereich der Schallöffnung 4, also zumindest ein den schallübertragenden Bereich 23 umfassender Teil der Membran 5, eine konvexe Form. Dies wird durch das Aufträgen von zusätzlichen Klebeschichten 1 1 auf die Schichten der Membran 5 und/oder das Aufträgen von ringförmigen Klebeschichten 1 1 ermöglicht, die jeweils die Deckschicht 6 mit der Abstandsschicht 7 fest verbinden. Durch die konvexe Ausbildung eines Teils der Membran 5 vergrößert sich der akustische Raum 18 im Vergleich zu der in den Figuren 3A, 3B dargestellten dritten Ausführungsform.
Die konvexe Ausbildung der Deckschicht 6 kann dadurch erfolgen, dass die Montage der Schallwandlervorrichtung 1 unter hohem Druck erfolgt. Es ist daher möglich, konvexe Formen zu erzeugen, indem die Schallwandlervorrichtung unter hohem Luftdruck zusammengebaut wird. Die in dem Schallkanal 12 eingeschlossene Luft dehnt sich in der normalen Atmosphäre aus und bildet konvexe Blasen. Bei einer anderen Ausführung, bei der ein anderes Schallkanalmedium als Luft in dem Schallkanal angeordnet ist, kann eine konvexe Blase durch Kühlen oder Erhitzen des Schallkanalmediums erreicht werden.
Eine derart ausgebildete Schallwandlervorrichtung 1 ermöglicht eine bessere Empfindlichkeit für Schalldruckwellen, die in einem steilen Winkel eintreffen.
Figur 9 zeigt eine neunte Ausführung. Die neunte Ausführung unterscheidet sich von der ersten Ausführung in der Ausbildung des Schallkanals 12. So weist der Schallkanal 12 in der neunten Ausführung zwei Abschnitte auf. Dabei weist ein erster Abschnitt, der sich von der Schallöffnung 4 in Richtung zu dem Schallwandler 2 erstreckt einen entlang einer Dickenrichtung des Substrats verkleinernden Querschnitt auf. Dabei bezieht sich der Querschnitt auf eine Ebene die zur z-Richtung normal ist. Ein dem ersten Abschnitt unmittelbar anschließender zweiter Abschnitt weist dagegen entlang der Dickenrichtung einen konstanten Querschnitt auf. Der zweite Abschnitt erstreckt sich somit vom Übergangsbereich mit dem ersten Abschnitt bis zum Ende 16 des Schallkanals 12. Ein Flächenverhältnis einer Fläche der Schallöffnung 4, die einer Fläche des anderen Endes des Schallkanals 12 entspricht, zu einer Fläche des anderen Endes 16 des Schallkanals 12 beträgt zwischen 1 ,5 und 10, insbesondere 6,25.
Figur 10 zeigt schematisch die Funktionsweise einer Schallwandlervorrichtung 1 . In Figur 10 ist zwar die Deckschicht 6 der Membran 5, insbesondere ein den schallübertragenden Bereich 23 umfassender Teil der Membran 5, konkav ausgeführt. Jedoch weist jede der vorher beschriebenen Schallwandlervorrichtungen 1 die nachfolgend beschriebene Funktionsweise auf.
Schalldruckwellen 27 aus der Umgebung der Schallwandlervorrichtung 1 treffen auf die Membran 5, was ein Schwingen der Membran 5, insbesondere des schallübertragenden Bereichs 23, bewirkt. Dies ist in Figur 10 durch den Doppelpfeil symbolisiert. Mit anderen Worten, die Druckenergie der Schalldruckwellen wird in kinetische Energie der Membran 5 übertragen. Die an die Membran 5 übertragene Schallenergie wird in den Schallkanal 12 übertragen.
Es ist zu unterscheiden, mit welchem Schallkanalmedium 13 der Schallkanal 12 gefüllt ist. Für den Fall, dass der Schallkanal 12 mit einem kompressiblem Fluid, wie Luft gefüllt ist, werden durch das Schwingen der Membran 5 Schalldruckwellen im Schallkanal 12 erzeugt, die den Schallkanal 12 passieren und in den Innenraum 19 des Schallwandlers 2 gelangen und von dem Schallempfänger 3 erfasst werden.
Für den Fall, dass im Schallkanal 12 ein inkompressibles Fluid, wie eine Flüssigkeit, angeordnet ist, wird die Schwingung der Membran 5 direkt in den Schallwandler 2, insbesondere den Schallempfänger 3 übertragen. In dem in Figur 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Flüssigkeit in dem Schallkanal 12 angeordnet, was durch die Grauschattierung des Schallkanals 12 symbolisiert ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Schallwandlervorrichtung
2 Schallwandler
3 Schallempfänger und/oder -sender
4 Schallöffnung
5 Membran
6 Deckschicht
7 Abstandsschicht
9 Schallöffnungsquerschnitt
10 Hohlraum
1 1 Klebeschicht
12 Schallkanal
13 Medium
16 Ende des Schallkanals
17 Substrat
18 akustischer Raum
19 Innenraum
22 konkave Vertiefung
23 schallübertragender Bereich
24 Adhäsionsbereich
25 hervorgehobener Bereich
27 Schalldruckwellen
28 Schallwandlergehäuse
E Einbaurichtung
Claims
1 . Schallwandlervorrichtung (1 ) umfassend ein Substrat (17) und einen Schallwandler (2), welcher mit einem Ende (16) eines Schallkanals (12) des Substrats (17) akustisch verbunden ist, wobei die Schallwandlervorrichtung (1 ) eine wasserdichte akustische Membran (5) aufweist, welche ein anderes Ende des Schallkanals (12) abdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (17) ein Printed Circuit Board ist.
2. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass a. die Membran (5) mit dem Substrat (17) fest verbunden ist und/oder dass b. die Membran (5) auf dem Substrat (17) angeordnet, insbesondere angeklebt, ist.
3. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Ende des Schallkanals (12) eine Schallöffnung (4) umfasst.
4. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (2) und die Membran (5) an sich gegenüberliegenden Seiten des Substrats (17) angeordnet sind.
5. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandlervorrichtung (1 ) derart konfiguriert ist, dass eine Schalldruckwelle den Schallkanal (12) passiert, bevor sie von dem Schallwandler (2) empfangen wird.
6. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Membran (5) einen akustischen Raum (18) abschließt, der sich aus dem Schallkanal (12) und einem Innenraum (19) des Schallwandlers (2) zusammensetzt, und/oder dass b. ein akustischer Raum (18), der sich aus dem Schallkanal (12) und einem Innenraum (19) des Schallwandlers (2) zusammensetzt, durch die Membran (5) und ein Schallwandlergehäuse (28) vollständig abgeschlossen ist.
7. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Schallwandler (2) einen durch ein Schallwandlergehäuse (28) wenigstens teilweise umschlossenen Innenraum (19) aufweist, der mit dem Schallkanal (12) akustisch verbunden ist und/oder dass b. der Schallwandler (2) einen Schallempfänger und/oder -sender (3) aufweist, der in einem Innenraum (19) des Schallwandlers (2) angeordnet ist.
8. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) a. ein Polyimid aufweist, insbesondere ein duroplastisches Polyimid, insbesondere poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimid), oder daraus gebildet ist; und/oder b. einen Polyester aufweist, insbesondere einen biaxial orientierten Polyester, insbesondere ein biaxial orientiertes Polyethylenterephthalat, oder daraus gebildet ist, und/oder c. luftundurchlässig und/oder beschichtbar, insbesondere lackierbar, und/oder druckbeständig ist, insbesondere bis zu einem Druck von 10.000 kPa und/oder temperaturbeständig in einem Temperaturbereich von -269 °C bis 400 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von -70 °C bis 150 °C, insbesondere in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 100 °C.
9. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) a. eine Deckschicht (6) aufweist und/oder b. mindestens eine Abstandsschicht (7) aufweist und/oder c. mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) aufweist.
10. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Deckschicht (6) auf mindestens einer Abstandsschicht (7) und/oder Klebeschicht (1 1 ) angeordnet ist, und/oder b. die Deckschicht (6) eine Klebeschicht (1 1 ) aufweist, insbesondere eine ringförmige Klebeschicht (1 1 ), und/oder
c. die mindestens eine Abstandsschicht (7) einen Hohlraum (10) aufweist, der mit dem Schallkanal (12) fluidisch verbunden ist, und/oder d. die mindestens eine Abstandsschicht (7) eine Klebeschicht (1 1 ) aufweist, insbesondere eine ringförmige Klebeschicht (1 1 ).
1 1. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) eine Dicke von 0,01 bis 0,1 mm aufweist, insbesondere eine Dicke von 0,02 bis 0,05 mm, insbesondere eine Dicke von 0,05 - 0,03 mm.
12. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastizitätsmodul der Membran (5) zwischen 1 ,5 und 4 GPA, insbesondere zwischen 1 ,7 - 3,5 GPA beträgt.
13. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenverhältnis einer Fläche des anderen Endes des Schallkanals (12), das der Membran (5) zugewandt ist, zu einer Fläche des Endes des Schallkanals (12), das zu dem Schallwandler (2) weist, zwischen 1 ,5 und 10 ist.
14. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) aufweist, wobei die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) die Deckschicht (6) mit dem Substrat (17) und/oder der Abstandsschicht (7) verbindet und/oder die Abstandsschicht (7) mit dem Substrat (17) verbindet.
15. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) einen Adhäsionsbereich (24) der Membran (5) bildet.
16. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) in einem schallübertragenden Bereich (23) keine Klebeschicht (1 1 ) aufweist.
17. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 14 bis 16, wobei die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) ringförmig um die Schallöffnung (4) angeordnet ist.
26
18. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5), insbesondere ein schallübertragender Bereich (23) der Deckschicht (6), konkav oder konvex oder eben ausgebildet ist.
19. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass a. sich ein Querschnitt des Schallkanals (12) entlang einer Dickenrichtung des Substrats (17) verändert und/oder b. der Schallkanal (12) zwei Abschnitte aufweist, wobei ein erster Abschnitt eine Querschnittverengung entlang der Dickenrichtung des Substrats (17), aufweist und ein zweiter Abschnitt einen konstanten Querschnittverlauf entlang der Dickenrichtung des Substrats aufweist.
20. Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallkanalmedium (13) eine gegenüber einem Außenmedium gleiche oder unterschiedliche Dichte aufweist oder eine andere Phase bildet.
21 . Schallwandlervorrichtung (1 ) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallkanalmedium (13) a. Luft ist oder b. eine, insbesondere nicht-kompressible, Flüssigkeit, insbesondere ein Öl, insbesondere ein Mineralöl, aufweist oder ist.
22. Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , umfassend einen Schritt der Anordnung einer Membran (5) auf einem Substrat (17), wobei die Membran (5) einen Schallkanal (12) des Substrats (17) abdeckt.
23. Verfahren nach Anspruch 22; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt aufweist, in welchem ein Schallwandler (2) mit einer der Membran (5) gegenüberliegenden Seite des Substrats (17) verbunden wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) und/oder die Abstandsschicht (7) mittels mindestens einer Klebeschicht (1 1 ) auf dem Substrat (17) angeordnet, insbesondere befestigt, wird.
27
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) mittels eines Lötverfahrens oder eines Reflow-Verfahrens auf dem Substrat (3) angeordnet, insbesondere befestigt, wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) auf mindestens eine Abstandsschicht (7) aufgebracht wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass a. eine Fläche, insbesondere die gesamte Fläche, der Deckschicht (6) und/oder der Abstandsschicht (7) mit mindestens einer Klebeschicht (1 1 ) versehen wird, und/oder b. die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) derart aufgetragen wird, dass ein vorbestimmter Bereich der Membran (5) frei von der Klebeschicht (1 1 ) ist, insbesondere ein schallübertragender Bereich (23) der Membran (5), und/oder c. die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) in einem Adhäsionsbereich (24) der Membran (5) aufgetragen wird, insbesondere ringförmig aufgetragen wird, und/oder d. die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) vor einem Zusammensetzungsschritt der Membran (5) aufgetragen wird, und/oder e. die mindestens eine Klebeschicht (1 1 ) in einer vorbestimmten Menge aufgetragen wird.
28. Positionsbestimmungsvorrichtung aufweisend wenigstens eine Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 .
29. Verwendung einer Schallwandlervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder einer Positionsbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 28 zur ein- oder mehrdimensionalen, vorzugsweise dreidimensionalen, Positionsbestimmung.
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